最近不論我們身處何方，關於工業物聯網（IIoT）的討論都會不絕於耳。而且

，對於不同的行業，這一趨勢表現在不同的方麵。例如，工業4.0是專為生產設備發展出來 概念。在電網領域，IIoT表現為智能電網；石油和天然氣行業的IIoT則體現在井場數字化。雖然IIoT的不同形式有其特定表述和流程，但是IIoT所提供的技術和優勢卻是大致相同。雖然行業領先者都渴望利用IIoT
，但很難想象到2020年500億台設備連接起來是何種場景1。專家估計，在2015年至2025年間部署的這些新網聯設備中，有半數將來自工業領域2。這意味著工程師和科學家將是工廠
、測試實驗室、電網

、煉油廠和基礎設施領域實現IIoT的驅動者。

對於IIoT

，工程師可以期望獲得三個主要好處：

•    通過預測性維護增加正常運行時間

•    通過邊緣控製提升性能

•    通過真實的網聯數據改進產品設計和製造

為了實現IIoT的這些優勢

，設計團隊必須依賴多項核心技術。無論是在構建在線監控係統
、智zhi能neng製zhi造zao機ji器qi，還hai是shi測ce試shi物wu理li或huo機ji電dian係xi統tong，一yi個ge關guan鍵jian的de共gong性xing都dou是shi對dui邊bian緣yuan智zhi能neng的de需xu求qiu。係xi統tong越yue複fu雜za，就jiu越yue需xu要yao做zuo出chu實shi時shi決jue策ce。例li如ru，在zai風feng力li渦wo輪lun機ji葉ye片pian的de結jie構gou測ce試shi中zhong，采cai集ji大da量liang高gao分fen辨bian率lv模mo擬ni波bo形xing數shu據ju的de能neng力li對dui於yu理li解jie葉ye片pian行xing為wei特te征zheng至zhi關guan重zhong要yao。同tong時shi，我wo們men需xu要yao處chu理li這zhe些xie數shu據ju

，為wei控kong製zhi係xi統tong提ti供gong輸shu入ru
，使shi得de係xi統tong能neng夠gou驅qu動dong葉ye片pian，以yi確que保bao測ce試shi在zai已yi知zhi條tiao件jian下xia進jin行xing。因yin此ci，專zhuan家jia估gu計ji至zhi少shao40％的物聯網數據將在邊緣側進行存儲、處理、分析和響應3，也就不足為奇了。為了最大限度地提高性能並減少不必要的數據傳輸
，用戶必須將決策權下放到部署在設備處或附近的邊緣節點。

圖1.到2019年，至少有40％的物聯網數據將在邊緣進行存儲
、處理、分析和響應。

多年來，NI投資了兩個高質量控製和測量平台：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個平台都具有靈活性和模塊化特性，並具有軟件定義的功能。內置I/O接口和C係列I/O模塊提供高精度I/O和特定測量信號調理，因此用戶可以通過任何總線連接任何傳感器或設備。 CompactRIO提供實時處理器和用戶可編程FPGA，特別適用於高速控製，而CompactDAQ則提供了同類最為出色的軟件API NI-DAQmx
，是數據采集的理想選擇。

然而，當我們開始著手實現這些係統時，新的挑戰不斷湧現 - 特別是在係統物理尺寸不斷增大、傳chuan感gan器qi數shu量liang不bu斷duan增zeng加jia的de情qing況kuang下xia。我wo們men仍reng以yi結jie構gou測ce試shi為wei例li
，為wei了le全quan麵mian了le解jie風feng力li渦wo輪lun機ji葉ye片pian的de性xing能neng，我wo們men需xu要yao為wei整zheng個ge機ji構gou配pei備bei傳chuan感gan器qi，以yi測ce量liang應ying變bian、壓力、負載和扭矩。這些傳感器都會生成模擬信號，為了獲得最多且最有用的信息，我們需要進行高速、高gao分fen辨bian率lv測ce量liang。對dui於yu諸zhu如ru此ci類lei的de大da規gui模mo應ying用yong


，我wo們men可ke能neng需xu要yao在zai整zheng個ge係xi統tong中zhong部bu署shu數shu百bai甚shen至zhi數shu千qian個ge傳chuan感gan器qi。在zai采cai集ji所suo有you這zhe些xie數shu據ju時shi，我wo們men還hai需xu要yao能neng夠gou實shi時shi處chu理li這zhe些xie數shu據ju，以yi便bian我wo們men可ke以yi為wei控kong製zhi係xi統tong的de所suo有you執zhi行xing器qi提ti供gong輸shu出chu控kong製zhi。

嚐試開發此類係統時會遇到一些挑戰：

•    將數千個通道和眾多測量係統同步在一起

•    同步控製係統，以便在正確的時間進行所有操作

•    將測量係統和控製係統同步在一起

suizhexitongbuduankuozhanyijiyingyongdecelianghekongzhixitongbuduanzengjia，zhexietiaozhanjinyibujiaju。celiangxitongzhijianyijikongzhixitongzhijiandetongbubingbushiyixiangxintiaozhan。jintian
，womentongchangkeyitongguojiyuxinhaodefangfalaishixianzheyimubiao，qizhongshiyonglewulibuxianjianggonggongshijihuoxinhaoluyoudaofenbushijiedian。danshi


，zhezaijuli、可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)和(he)噪(zao)聲(sheng)風(feng)險(xian)方(fang)麵(mian)存(cun)在(zai)局(ju)限(xian)性(xing)。另(ling)一(yi)種(zhong)選(xuan)擇(ze)是(shi)利(li)用(yong)基(ji)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)等(deng)通(tong)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)協(xie)議(yi)。以(yi)太(tai)網(wang)提(ti)供(gong)了(le)高(gao)度(du)開(kai)放(fang)性(xing)和(he)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)，但(dan)沒(mei)有(you)延(yan)遲(chi)限(xian)製(zhi)或(huo)帶(dai)寬(kuan)保(bao)證(zheng)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)挑(tiao)戰(zhan)，工(gong)程(cheng)師(shi)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)個(ge)以(yi)太(tai)網(wang)定(ding)製(zhi)版(ban)本(ben)
，通(tong)常(chang)稱(cheng)為(wei)硬(ying)實(shi)時(shi)以(yi)太(tai)網(wang)。典(dian)型(xing)的(de)例(li)子(zi)包(bao)括(kuo)EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。這(zhe)些(xie)以(yi)太(tai)網(wang)定(ding)製(zhi)版(ban)本(ben)提(ti)供(gong)了(le)硬(ying)實(shi)時(shi)性(xing)能(neng)和(he)一(yi)流(liu)的(de)低(di)延(yan)遲(chi)和(he)控(kong)製(zhi)。但(dan)是(shi)
，每(mei)個(ge)版(ban)本(ben)都(dou)需(xu)要(yao)對(dui)網(wang)絡(luo)基(ji)礎(chu)架(jia)構(gou)的(de)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)，這(zhe)不(bu)僅(jin)增(zeng)加(jia)了(le)成(cheng)本(ben)，而(er)且(qie)意(yi)味(wei)著(zhe)來(lai)自(zi)不(bu)同(tong)供(gong)應(ying)商(shang)的(de)不(bu)同(tong)設(she)備(bei)不(bu)能(neng)在(zai)同(tong)一(yi)網(wang)絡(luo)上(shang)運(yun)行(xing)。

解決這一同步挑戰的新技術目前正在推向市場，這一技術稱為時間敏感網絡（TSN）。 TSN是標準以太網的更新版本，不僅具有開放性和互操作性
，而且提供與硬實時以太網相同的低延遲和帶寬保證。具體而言，TSN提供三個關鍵組件：基於時間的同步
、流量調度和係統配置。同步功能基於IEEE 1588jingqueshijianxieyipeizhiwenjian
，tongguowangluotigongyaweimiaojitongbu。ciwai，liuliangtiaoduhexitongpeizhitigonglequedingdeshujutongxin，yinciyonghukeyitiaoduheyouxianchuliwangluoshangdeshijianminganshuju（例如控製信號）。

TSN的一個重要特性是時間敏感流量和其他以太網流量的融合。由於TSN是(shi)以(yi)太(tai)網(wang)標(biao)準(zhun)的(de)一(yi)項(xiang)特(te)性(xing)，時(shi)間(jian)同(tong)步(bu)和(he)確(que)定(ding)性(xing)通(tong)信(xin)這(zhe)兩(liang)項(xiang)新(xin)功(gong)能(neng)可(ke)支(zhi)持(chi)所(suo)有(you)以(yi)太(tai)網(wang)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)測(ce)量(liang)或(huo)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)上(shang)的(de)單(dan)個(ge)端(duan)口(kou)可(ke)以(yi)執(zhi)行(xing)確(que)定(ding)性(xing)通(tong)信(xin)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)遠(yuan)程(cheng)更(geng)新(xin)用(yong)戶(hu)界(jie)麵(mian)終(zhong)端(duan)並(bing)支(zhi)持(chi)文(wen)件(jian)傳(chuan)輸(shu)。TSN是(shi)許(xu)多(duo)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)一(yi)項(xiang)新(xin)增(zeng)功(gong)能(neng)，例(li)如(ru)過(guo)程(cheng)和(he)機(ji)器(qi)控(kong)製(zhi)，其(qi)中(zhong)低(di)通(tong)信(xin)延(yan)遲(chi)和(he)最(zui)小(xiao)抖(dou)動(dong)對(dui)於(yu)滿(man)足(zu)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。基(ji)於(yu)時(shi)間(jian)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)同(tong)步(bu)還(hai)可(ke)以(yi)免(mian)除(chu)基(ji)於(yu)信(xin)號(hao)的(de)同(tong)步(bu)所(suo)需(xu)的(de)布(bu)線(xian)，與(yu)傳(chuan)統(tong)監(jian)控(kong)應(ying)用(yong)和(he)物(wu)理(li)係(xi)統(tong)測(ce)試(shi)（如結構測試）相比可大幅減少了布線需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實現更簡單、經濟高效的解決方案。

圖2.時間敏感網絡是標準以太網的更新版，包括基於時間的同步、流量調度和係統配置。

NI的產品也在不斷增加對TSN的支持，CompactRIO平台的最新控製器便是一個典型的產品。 用戶可以將這些新控製器添加到TSN網絡，並支持數據同步和確定性通信
，使其成為理想的IIoT邊緣節點。

圖3.最新的CompactRIO控製器支持TSN
，支持同步和確定性通信。

TSN的de引yin入ru是shi解jie決jue整zheng個ge係xi統tong同tong步bu挑tiao戰zhan的de重zhong要yao一yi步bu。開kai發fa這zhe些xie係xi統tong的de工gong程cheng師shi還hai在zai關guan注zhu如ru何he降jiang低di整zheng體ti係xi統tong複fu雜za性xing，同tong時shi保bao持chi或huo提ti高gao可ke靠kao性xing。由you於yu測ce量liang和he控kong製zhi通tong常chang是shi獨du立li的de子zi係xi統tong，因yin此ci工gong具ju、編程環境和數據采集機製之間彼此獨立。 PLC等控製係統通常采用IEC 61131-3語言編程，可對單點數據進行操作。這種類型的數據非常適合控製應用
，但不適合提取信息 - yinciwomenxuyaoboxingshuju。tongyang
，celiangxitongshiyongboxingshujutigongsuoxudexinxi
，danbingbushiyongyufasongdandiankongzhixinhaohuoquedingdiduidandiankongzhixinhaozuochufanying。

測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)非(fei)常(chang)直(zhi)觀(guan)明(ming)了(le)。過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)，測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)融(rong)合(he)進(jin)度(du)非(fei)常(chang)緩(huan)慢(man)。每(mei)個(ge)係(xi)統(tong)都(dou)增(zeng)加(jia)了(le)新(xin)的(de)功(gong)能(neng)，以(yi)便(bian)更(geng)多(duo)的(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)具(ju)有(you)一(yi)些(xie)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)
，或(huo)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)部(bu)分(fen)測(ce)量(liang)功(gong)能(neng)。隨(sui)著(zhe)最(zui)新(xin)CompactRIO控製器的發布
，我們看到了這種融合有了重大進步。除了利用實時處理器和FPGA來實現確定性控製應用之外，新的控製器還可以使用易用且功能強大的NI-DAQmx驅動程序進行編程
，從而實現測量應用。 NI-DAQmx不僅僅是一個基本的硬件驅動程序
，不僅提供了配置和故障分析工具、逐步配置工具，而且提供功能強大且直觀的API，大幅提高了工作效率和性能。工程師可以使用NI-DAQmx API來編寫自定義程序
，實現強大的定時和同步功能，並執行高級控製和監測任務。對於需要同步高通道數係統、開發基於決策的記錄儀或自動化實驗室實驗的用戶
，數百個示例
、充chong滿man活huo力li的de社she區qu和he一yi流liu的de本ben地di支zhi持chi可ke幫bang助zhu他ta們men快kuai速su從cong概gai念nian過guo渡du到dao部bu署shu。通tong過guo這zhe種zhong融rong合he
，他ta們men可ke以yi使shi用yong相xiang同tong的de硬ying件jian和he單dan個ge軟ruan件jian工gong具ju鏈lian，直zhi接jie在zai邊bian緣yuan側ce采cai集ji、處理、記錄和響應輸入的數據，從而最終降低係統成本和複雜性。

參考文獻

•    1Cisco, The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, 2011

•    2IHS Markit, IoT Trend Watch 2017, 2017

•    3IDC FutureScape: Worldwide Internet of Things 2017 Predictions